地下水對地下結構浮力作用研究

王嘉昕，蘭盈盈，陳經明，王 婷，吳旺軍

(南昌工程學院水利與生態工程學院，南昌 330099)

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地下水對地下結構浮力作用研究

王嘉昕，蘭盈盈，陳經明，王 婷，吳旺軍

(南昌工程學院水利與生態工程學院，南昌 330099)

本文就地下水對地下結構的浮托力作用進行研究，對抗浮設防水位的確定、浮托力的計算、抗浮技術措施的選擇進行分析與探討，并提出一定的觀點和建議。

地下水；地下結構；浮托力

我國城市建設得到了飛速發展，國內城市大量興建高層、超高層建筑，地基埋深越來越深，地基基礎的勘察、評價和設計問題越來越受到重視[1]。

1 抗浮設防水位的確定

《高規》中抗浮設防水位指地下室抗浮評價所需的、確?？垢≡O防安全與經濟合理的場地地下水水位[2]。抗浮設防水位是基于施工區下墊面條件確定的場地抗浮設防水位，對于不同水文地質區域的工程建設，考慮到地下水的賦存、排泄和補給條件可能不同，施工時應具體情況具體分析。當有長期水位觀測資料時，可采用實測最高地下水水位作為抗浮設防水位；當沒有長期水位觀測資料時，可采用勘測期間的地下水最高穩定水頭并結合施工區的水文地質條件確定抗浮設防水位；當沒有長期水位觀測資料但是對于多層地下水條件下各種類型的地下水年變幅比較了解時，應先確定不同含水層地下水的最高水位，再確定抗浮設防水位。

2 抗浮力的計算

浮托力指地下建筑結構在靜水位或下游水位的作用下其底面所受的分布均勻、方向豎直向上的靜水壓力[3]，其中靜水位指場地抗浮設防水位，而下游水位是指由場地下游江河湖泊水位上漲反托所形成的場地地下水水位[4]。浮托力的計算以阿基米德定律作為基礎。阿基米德認為浸在液體中的物體將受到方向豎直向上的力，定義為浮力，并且認為浮力的大小等于物體排出液體的重力的大小。公式如下所示:

F=G排=ρgV排

(1)

因此，地下結構受到的地下水浮托力計算公式為:

F=ρ水gV排=γV排=γhS

(2)

其中V排表示地下結構所排開水的體積，S表示底部總面積，γ表示水的容重，h表示地下結構底板以上的水頭高度。

由公式(2)還可知道地下結構單位面積上受到的浮托力大小為:

(3)

然而在實際工程中，從一些實測資料可發現，在很多情況下直接用阿基米德定律計算出的水浮力值與實際測得的水壓力值之間存在一定偏差[5]，在計算地下水浮托力時，有必要對浮托力的計算公式進行劃分:當土壤為砂土時，地下結構底板受到的浮托力可以直接按照浮力公式計算；而當土壤為粉黏土時，地下結構底板受到的浮托力應根據當地的地下水位、底板位于地下的深度等條件，給計算公式乘以一個合理的折減系數ψ。

王浩等[6]給出了多層地下水條件下，不同埋深的地下建筑所受水浮力的經驗折減系數，值得借鑒。歸納總結出為:A.當地下室處于潛水層中，地下室底板處于潛水層上部時，如圖1所示，地下室底板受到來自潛水層地下水的浮托力，浮托力公式計算無須乘折減系數。B.當地下室處于潛水層中，地下室底板處于潛水層下部的弱透水層時，如圖2所示，地下室底板受到由地下水滲流所產生的浮托力，折減系數ψ取0.7～0.8。C.當地下室處于潛水層中，地下室底板處于潛水層下部的弱透水層中且弱透水層下面還有承壓水的含水層時，如圖3所示，地下室底板受到由上下層含水層滲流作用以及地下水所產生的浮托力，折減系數ψ取0.5～0.6。D.當地下室貫穿第一層弱透水層，底板處于承壓水的含水層時，如圖4所示，底板受到由承壓水所產生的浮托力，折減系數 取0.7～0.8。

圖1-圖4 不同條件壓力分布圖Fig.1-Fig.4 Pressure distribution under different conditions

3 當前抗浮技術措施

3.1 壓載抗浮技術

當地下結構的重量小于底板受到的地下水浮托力時，地下結構就可能發生上浮。因此，增加地下結構重量是最直接的抗浮方法，通常以加大底板厚度的方式來增加結構重量。但由于壓載抗浮技術通常采用降低底板的標高在上面填土或增大底板的厚度來增加自身重量抵抗浮力[7]，使得地基基礎只能往更深層次進行開挖，反而增大了水浮力，必須在降低底板標高或增大底板厚度的基礎上再降低底板標高、埋土和增大底板厚度，直到重力和浮力二者平衡。因此，壓載抗浮技術適用于水浮力不大、地基土壤承載能力較好的情況。

3.2 抗浮樁技術

抗浮樁技術指利用樁體自重和樁側摩阻力提供抗拔力[8]。抗浮樁與一般的基礎樁在性質上有很大不同，基礎樁承受的是自上而下的上部結構壓力，而抗浮樁則起著抗拔的作用，受拉力作用。雖然抗浮樁承載能力強、施工技術成熟，但施工周期長、難度大、費用較高，并且施工過程中易產生廢棄泥渣污染環境。

3.3 抗浮錨桿技術

抗浮錨桿的作用類似于抗浮樁。它是指將埋入土層中的錨桿與地下結構的底部相連，通過桿體與周圍土層發生相對位移時產生的摩擦力提供抗拔力[9]?？垢″^桿可以看成是小型的抗拔樁，但間距比抗浮樁小，布置密集，底板上不會產生較大剪力，因此不需要將底板設計的太厚，可以控制成本。另外，抗浮錨桿工藝簡單、施工方便，工期短。

3.4 降排截水技術

降排截水技術指通過降水、排水、截水的方法降低地下水水位，從而減小地下水浮力，達到抗浮的目的。與壓載抗浮技術相比，雖然降排截水技術工程造價也偏低，但由于降排截水技術需要一直使用，因此需要消耗更大的工程量，維護費用較高。另外，如只使用降排截水技術，若排水設施出現故障，導致地下水回灌、水位回升，那么抗浮效果很可能失效，并帶來安全隱患，因此，降排截水技術通常與其他抗浮措施聯合使用。

4 結語

地下結構對地下水的抗浮設計問題是由抗浮設防水位的確定、浮托力的計算、抗浮技術措施的選擇等多個方面共同組成，對這些方面進行深入了解、仔細總結極為必要，這對今后開展與地下結構抗浮設計的相關研究也非常有意義，它為地下結構的抗浮設計提供了一定的理論依據，對抗浮技術措施的合理選擇、節省資金投入、確保施工安全等方面具有實際的應用空間。

[1] 高海.地下水對某已建地下結構的浮起作用分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2010.

[2] JGJ72-2004，高層建筑巖土工程勘察規程[S].

[3] GB/T 50279-98，巖土工程基本術語標準[S].

[4] 張曠成.關于抗浮設防水位及浮力計算問題的分析討論[J].巖土工程技術，2007，21(01):15-20.

[5] 熊歡.地下結構抗浮設計中浮力的研究[D].長沙:中南大學，2013.

[6] 王浩.地下室結構的抗浮設計與分析[D].合肥:合肥工業大學，2013.

[7] 張同波，于德湖，王勝，等.巖體基坑地下室抗浮問題的分析[J].施工技術，2008，37(09):19-22.

[8] 熊勃.地下結構抗浮設計中抗拔樁的應用研究[D].長沙:中南大學，2006.

[9] 蔣繼寶.抗浮錨桿力學特性研究與工程應用[D].貴州:貴州大學，2015.

Study on buoyancy effect of groundwater on underground structure

WANG Jia-xin, LAN Ying-ying, CHEN Jing-ming, WANG Ting, WU Wang-jun

(College of Water Conservancy and Ecological Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

With the development of underground space, the problem of the buoyancy of groundwater in engineering has become increasingly prominent.In this paper, the relevant groundwater buoyancy effect of underground structure was studied. Some opinions and suggestions are put forward on water level for prevention of up-floating determination, calculation of uplift pressure and technical measures to resist uplift pressure.

Groundwater; Underground structure; Uplift pressure

2017-03-04

國家級大學生創新創業訓練計劃(201511319002)

王嘉昕(1995-)，男，學士。

蘭盈盈(1979-)，女，博士，講師。

TU46

A

1674-8646(2017)10-0140-02